吳東容,施 展,趙 飛,王明波,魯佳琪,唐 銘

(1.國家管網(wǎng)集團(tuán) 西南管道有限責(zé)任公司,四川 成都 610500;2.西南石油大學(xué) 土木工程與測繪學(xué)院,四川 成都 610500)

引 言

管道作為我國戰(zhàn)略資源的運(yùn)輸工具,預(yù)計(jì)到2025年,全國管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到24萬公里。未來10年,我國會(huì)迎來管道事業(yè)的高峰。其中,并行管道具有“運(yùn)輸成本低、效率高、戰(zhàn)略作用大”等特點(diǎn),然而,一旦發(fā)生事故,將會(huì)造成不可挽回的巨大損失,因此,深入開展并行管道的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)工作迫在眉睫。

目前,國內(nèi)外針對并行管道的研究工作有很多。2016年,Edmilson P S等[1]分析地下平行管道多米諾骨牌效應(yīng)的可能性。2018年,Guo等[2]基于可燃?xì)怏w爆炸理論對埋地管道平行間距的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行了分析,確定了安全間距。2019年,蔣宗岑等[3]分析公路路線與運(yùn)營燃?xì)夤芫€近距離并行時(shí)的相關(guān)安全影響因素。2020年,ukasz A等[4]研究了位于中歐氣候條件下的交換器氣流分布模式對多管EAHE熱性能的影響。以上研究主要針對并行管道安全間距、熱力影響、施工安全以及管道多米諾效應(yīng),而關(guān)于并行油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的工作較少,已有的油氣管道安全風(fēng)險(xiǎn)分析研究也未考慮并行管道干擾這一重要因素。

本文擬建立同橋并行油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系,通過改進(jìn)的層次分析法與變權(quán)理論相結(jié)合計(jì)算影響因子權(quán)重,將考慮并行管道干擾時(shí)得到的風(fēng)險(xiǎn)等級與原工況進(jìn)行對比,以期更為準(zhǔn)確地反映并行油氣管道的真實(shí)風(fēng)險(xiǎn),為并行油氣管道的安全運(yùn)行提供保障。

1 基于層次分析法的指標(biāo)權(quán)重分析

1.1 改進(jìn)的層次分析法

首先,基于改進(jìn)的層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)確定指標(biāo)的常權(quán)重。與經(jīng)典AHP相比,改進(jìn)的AHP構(gòu)造判斷矩陣更便捷,同時(shí)不需要一致性檢驗(yàn),提高了計(jì)算精度,適用性更強(qiáng)[5-6]。具體步驟如下：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型

(2)建立比較矩陣S

(1)

式中：sij=0時(shí),第j因素較重要;sij=1時(shí),兩者同等重要;sij=2時(shí),第i因素較重要。

(3)計(jì)算重要性排序指數(shù)ri

(2)

式中：ri為每行元素之和。

(4)構(gòu)造判斷矩陣B

(3)

式中：bij為判斷矩陣B的元素。

(5)求傳遞矩陣C

cij=lgbij。

(4)

式中：cij為傳遞矩陣C的元素。

(6)求最優(yōu)傳遞矩陣D

(5)

式中：dij為最優(yōu)傳遞矩陣D的元素。

(7)求擬優(yōu)一致矩陣E

eij=10dij。

(6)

式中：eij為擬優(yōu)一致矩陣E的元素。

(8)求E的特征向量W′

(7)

求得wi′=(w1′,w2′,w3′,…,wn′)為權(quán)重常向量。

1.2 變權(quán)理論動(dòng)態(tài)權(quán)重計(jì)算

依據(jù)文獻(xiàn)[7-8]可知,固定權(quán)重對不同環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估時(shí),評價(jià)結(jié)果無法反映真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)情況。因此,本文基于變權(quán)理論對管道風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行動(dòng)態(tài)評估。

(1)因素變權(quán)

在實(shí)際情況下,指標(biāo)權(quán)重會(huì)跟隨環(huán)境的變化隨時(shí)變動(dòng),為了適應(yīng)變化,本文引入了變權(quán)模型。狀態(tài)變權(quán)向量是一個(gè)客觀存在的狀態(tài),其中,Sx=[S1(X),S2(X),…,Sm(X)],X=(x1,x2,…,xi)。

變權(quán)向量通常滿足3個(gè)條件：

(2)變權(quán)計(jì)算

評價(jià)人員根據(jù)管道實(shí)時(shí)狀態(tài)給出對應(yīng)的狀態(tài)值,為了避免取值的偶然性誤差,將平均狀態(tài)值代入懲罰-激勵(lì)性變權(quán)函數(shù)得到指標(biāo)均衡函數(shù)

(8)

式中：xi為各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)狀態(tài)值。

結(jié)合式(7)、式(8),得到指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重：

(9)

2 同橋油氣并行管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

2.1 方法流程

針對傳統(tǒng)的管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),提出了在原有的基礎(chǔ)上考慮并行管道干擾的并行管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法。首先,查閱國內(nèi)外同橋并行油氣管道相關(guān)資料,考慮外部指標(biāo)、失效后果對管道風(fēng)險(xiǎn)等級的影響,包括第三方破壞、腐蝕、自然與地質(zhì)災(zāi)害等,并對現(xiàn)場走訪調(diào)研,與相關(guān)單位積極溝通,獲取相應(yīng)數(shù)據(jù);其次,在上一步的基礎(chǔ)上增加管道內(nèi)部指標(biāo)與相應(yīng)數(shù)據(jù),即并行管道干擾項(xiàng),構(gòu)成同橋并行油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系;分別對有無并行管道干擾兩種情況下進(jìn)行各指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重計(jì)算;對同橋并行油氣管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級標(biāo)準(zhǔn)劃分,并通過上述所得數(shù)據(jù)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值,通過所建的等級劃分標(biāo)準(zhǔn),得到管道的真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)水平,根據(jù)評價(jià)結(jié)果提出風(fēng)險(xiǎn)防控意見,為同橋并行管道風(fēng)險(xiǎn)防控和事故規(guī)避提供理論指導(dǎo)。

2.2 評價(jià)指標(biāo)體系的建立

同橋并行油氣管道多數(shù)處于山區(qū)地帶,地理位置極為復(fù)雜,參考3-QSY1180.3-2014管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合管道的實(shí)際情況,建立同橋并行油氣管道外部失效可能性指標(biāo)。由于同橋并行油氣管道的特殊性,管道發(fā)生泄漏時(shí)容易受周圍火源、高溫天氣、極端天氣引發(fā)的火災(zāi)影響產(chǎn)生噴射火等熱輻射效應(yīng),對相鄰管道造成破壞,發(fā)生嚴(yán)重的多米諾事故,威脅人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全以及環(huán)境安全。關(guān)于管道失效可能性內(nèi)部影響因子,即管道相互干擾指標(biāo)的選擇,應(yīng)當(dāng)遵循以下原則[9-10]：(1)重點(diǎn)考慮把并行管道運(yùn)行過程中的危害因素作為風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo);(2)參考相關(guān)法律法規(guī)和安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);(3)參考并行管道安全作業(yè)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料、安全管理資料及并行管道設(shè)計(jì)資料;(4)現(xiàn)場調(diào)研并行管道敷設(shè)方式及路由環(huán)境特點(diǎn);(5)通過實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析并行管道失效影響?？紤]并行管道間干擾的同橋并行油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1 同橋并行油氣管道失效可能性指標(biāo)體系Tab.1 Failure probability index system of parallel oil-gas pipelines on the same bridge

管道并行間距不僅在并行管道相互干擾系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的位置,同時(shí)也主動(dòng)影響或被動(dòng)影響干擾系統(tǒng)中其他影響因子,產(chǎn)生的熱輻射效應(yīng)和沖擊波效應(yīng),在不同的管道間距下會(huì)造成不同程度的破壞[11];空氣溫度較高,出現(xiàn)火源的可能性較大,在管道泄漏時(shí)直接引燃泄漏的天然氣形成噴射火,當(dāng)天然氣泄漏達(dá)到一定濃度時(shí),遇見火源會(huì)產(chǎn)生威力巨大的沖擊波;風(fēng)可以影響噴射火的燃燒方向和強(qiáng)度,對相鄰管道與橋梁造成嚴(yán)重的安全威脅,同時(shí),較小風(fēng)速會(huì)將泄漏氣體范圍擴(kuò)大,卻依然在可爆炸的濃度范圍,較大風(fēng)速時(shí),天然氣濃度會(huì)降低至不可爆炸范圍;管道介質(zhì)流速具有快速流動(dòng)時(shí)帶走熱量的特性,從而降低管道受到的熱應(yīng)力;管間防護(hù)措施可有效抵御管道遭受的熱應(yīng)力與蒸汽云爆炸產(chǎn)生的沖擊波;不同的管道運(yùn)行壓力,其抵御爆炸沖擊波的能力也不同,允許范圍內(nèi)運(yùn)行壓力越大,抵御沖擊能力越強(qiáng),越不容易失效;管徑越大意味著相鄰管道越近,隨著管徑增大管輸壓力也會(huì)相應(yīng)增大,因此在不同管徑作用下,相鄰管道失效概率不同。上下游截?cái)嚅y間距越大,管道內(nèi)油氣儲(chǔ)量越大,產(chǎn)生的后果越嚴(yán)重,減少上下游管段內(nèi)油氣儲(chǔ)量,進(jìn)而減少非穩(wěn)態(tài)影響環(huán)境下對相鄰管道的影響[12-13]。

2.3 管道風(fēng)險(xiǎn)等級標(biāo)準(zhǔn)劃分

參照GB32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》并借鑒英國焊接學(xué)會(huì)(TWI)將風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)管道實(shí)際工況,對失效可能性和失效后果區(qū)間進(jìn)行調(diào)整,其劃分方法如下：失效可能性1級[Pmin,Pmin+(Pmax-Pmin)3/25];失效可能性2級[Pmin+(Pmax-Pmin)3/25,Pmin+(Pmax-Pmin)6/25];失效可能性3級[Pmin+(Pmax-Pmin)6/25,Pmin+(Pmax-Pmin)13/25];失效可能性4級[Pmin+(Pmax-Pmin)13/25,Pmin+(Pmax-Pmin)21/25];失效可能性5級[Pmin+(Pmax-Pmin)21/25,Pmax]。失效后果A級[Cmin,Cmin+(Cmax-Cmin)3/25];失效后果B級[Cmin+(Cmax-Cmin)3/25,Cmin+(Cmax-Cmin)6/25];失效后果C級[Cmin+(Cmax-Cmin)6/25,Cmin+(Cmax-Cmin)13/25];失效后果D級[Cmin+(Cmax-Cmin)13/25,Cmin+(Cmax-Cmin)21/25];失效后果E級[Cmin+(Cmax-Cmin)21/25,Cmax]。同時(shí)結(jié)合專家意見反復(fù)修正,建立并行油氣管道風(fēng)險(xiǎn)矩陣和相對風(fēng)險(xiǎn)等級見表2、表3。

表2 油氣管道風(fēng)險(xiǎn)矩陣Tab.2 Oil-gas pipeline risk matrix

表3 架空并行管道路由環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)相對等級劃分Tab.3 Divsion of relative routing environmental risk grade of overhead parallel pipeline

2.4 同橋并行油氣管道路由環(huán)境綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型

關(guān)于并行管道的失效可能性,認(rèn)為多管并行敷設(shè)應(yīng)視為一個(gè)存在失效邏輯上串聯(lián)的工程系統(tǒng),該系統(tǒng)中任意管道失效都會(huì)對系統(tǒng)路由環(huán)境造成影響[14]。故可將該系統(tǒng)考慮為一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng),即系統(tǒng)中任意單元失效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。計(jì)算公式為

P=A1L1+A2L2+A3L3+…+AnLn。

(10)

式中：P為管道的失效可能性值;L為集輸管道失效可能性分值;L1,L2,L3,…,Ln分別為集輸管道第三方破壞、腐蝕、制造與施工缺陷、誤操作等因素的失效得分;A1,A2,A3,…,An分別為失效可能性指標(biāo)對誘發(fā)管道事故發(fā)生的相對重要度,這里為指標(biāo)的相對動(dòng)態(tài)權(quán)重。

同理,失效后果也應(yīng)當(dāng)為在單管失效后果受體指數(shù)的基礎(chǔ)上因相鄰管道所增加的受體指數(shù),因此,管道的失效后果總分值為

(11)

式中：PH評為介質(zhì)危害性指數(shù)評分;LV評為泄漏量指數(shù)評分;D評為擴(kuò)散系數(shù)評分;S評為受體評分;PH總為介質(zhì)危害性指數(shù)總分;LV總為泄漏量指數(shù)總分;D總為擴(kuò)散系數(shù)總分;S總為受體總分。

根據(jù)多介質(zhì)多管道敷設(shè)方式的特點(diǎn),在肯特法管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模[15-16],提出適用于多管敷設(shè)方式下管道的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系。肯特法管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)包括管道失效可能性與管道失效后果兩部分,兩者的乘積即為風(fēng)險(xiǎn)分值：

RAB=PfACA+PfBCB。

(12)

式中：RAB為管道系統(tǒng)總風(fēng)險(xiǎn)值;PfA為天然氣管道失效可能性分值;PfB為原油管道失效可能性分值;CA為天然氣管道失效后果值;CB為原油管道失效后果值。

3 實(shí)例評價(jià)與分析

以中緬并行管道跨越橋梁段為例進(jìn)行分析,其中輸氣管道管徑1 016 mm,管道設(shè)計(jì)壓力12 MPa,實(shí)際運(yùn)行壓力6 MPa;輸油管道管徑813 mm,管道設(shè)計(jì)壓力15 MPa,實(shí)際運(yùn)行壓力12 MPa,跨越長度280 m,管道沿線自然與地質(zhì)災(zāi)害多發(fā),管道外部涂有防腐層,定期進(jìn)行清管處理。

3.1 同橋并行管道風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

基于問卷調(diào)查、在線問詢等方式,邀請并行管道風(fēng)險(xiǎn)分析領(lǐng)域的專家對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行評判,基于并行管道事故發(fā)生的歷史數(shù)據(jù),討論各風(fēng)險(xiǎn)因素嚴(yán)重程度,以構(gòu)造比較矩陣,從而求解得到風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)常權(quán)重,根據(jù)式(8)、式(9)求解得到風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)權(quán)重。

(1)不考慮并行管間干擾時(shí)的權(quán)重

中緬并行管道地處山區(qū),當(dāng)?shù)厥茏匀慌c地質(zhì)災(zāi)害侵?jǐn)_嚴(yán)重,自然與地質(zhì)災(zāi)害占比應(yīng)為各指標(biāo)之首,且管道為新建管道,腐蝕對管道的作用較小,腐蝕占比應(yīng)相對減小,各指標(biāo)對應(yīng)權(quán)重情況見表4。

表4 不考慮并行干擾時(shí)的指標(biāo)權(quán)重Tab.4 Indicator weights for pipeline risk evaluation when the interference between parallel pipelines is not considered

(2)考慮并行管間干擾時(shí)的權(quán)重

考慮并行管間各指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算不僅需要納入并行管道干擾重新計(jì)算二級指標(biāo)權(quán)重,還需對并行管間干擾三級指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算,為管道風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算提供科學(xué)、客觀的依據(jù)。各二級指標(biāo)以及并行管間干擾三級指標(biāo)權(quán)重如圖1所示。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重分布圖Fig.1 Dynamic weight distribution of risk indicators

3.2 同橋并行管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與分析

通過查閱資料、現(xiàn)場調(diào)研等方式,邀請并行管道風(fēng)險(xiǎn)分析領(lǐng)域的專家對同橋并行油氣管道指標(biāo)體系進(jìn)行打分,結(jié)合上述所得指標(biāo)動(dòng)態(tài)權(quán)重,利用路由環(huán)境綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型,得到原油管道及路由環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果,如圖2所示。原油管道考慮并行干擾指標(biāo)因素所計(jì)算出的相對風(fēng)險(xiǎn)值大于忽略并行干擾指標(biāo)因素所計(jì)算出的相對風(fēng)險(xiǎn)值,考慮管道路由環(huán)境所計(jì)算出的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)值也呈現(xiàn)相同的趨勢,即忽略并行干擾因素將低估風(fēng)險(xiǎn)。同橋并行管道路由環(huán)境忽略并行干擾所計(jì)算出的系統(tǒng)相對風(fēng)險(xiǎn)值為13.36,考慮并行干擾所計(jì)算出的系統(tǒng)相對風(fēng)險(xiǎn)值為15.50,將所得路由環(huán)境相對風(fēng)險(xiǎn)值與表3中并行油氣管道(原油-天然氣)路由環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)相對等級對比可知,并行管道路由環(huán)境處于較低風(fēng)險(xiǎn),風(fēng)險(xiǎn)可接受。雖然,目前是較低風(fēng)險(xiǎn),但是由于運(yùn)營時(shí)間以及所處位置氣候環(huán)境的因素,腐蝕失效值得關(guān)注。因此,建議后期考慮加強(qiáng)腐蝕檢測頻率等措施。

圖2 同橋原油管道及路由環(huán)境相對風(fēng)險(xiǎn)值Fig.2 Relative risk values of crude oil pipelines in the same bridge and routing environment

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合改進(jìn)的層次分析法與變權(quán)理論建立動(dòng)態(tài)權(quán)重計(jì)算模型,精確反映了并行管道的真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)水平,為并行管道的風(fēng)險(xiǎn)評估提供了可靠的方法指導(dǎo)。

(2)對影響同橋并行油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行全面分析,在原基礎(chǔ)上增加管道并行干擾項(xiàng),構(gòu)建同橋并行油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系,并劃分并行管道風(fēng)險(xiǎn)等級標(biāo)準(zhǔn),基于肯特法建立路由環(huán)境綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型,通過對比考慮管間并行干擾前后的原油管道以及路由環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級,證實(shí)了提出指標(biāo)的科學(xué)性,為并行管道的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供新思路。

(3)未考慮輸氣管道失效對橋梁的影響,橋梁一旦存在安全事故,將對管道以及周圍的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成毀滅性災(zāi)難。因此,建議針對管道失效對橋梁的影響展開研究。